Practical Design Calculations for Groundwater and Soil Remediation - Jeff Kuo

Cung cấp các hướng dẫn thực tế về phương pháp tính toán thiết kế cho dự án xử lý ô nhiễm nước ngầm và đất. Bao gồm các phương pháp, tiêu chuẩn và ứng dụng thực

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sách tham khảo

1999

265
0
0

Phí lưu trữ

55 Point

Tóm tắt

I. Tổng quan về tính toán thiết kế xử lý nước ngầm và đất ô nhiễm

Tính toán thiết kế xử lý nước ngầm và đất ô nhiễm là quy trình áp dụng các phép tính toán học để xác định khối lượng, thành phần và quá trình vận chuyển chất ô nhiễm trong môi trường dưới đất. Phương pháp này kết hợp cân bằng khối lượng, mô hình hóa vận chuyển chất ô nhiễm và tính toán kỹ thuật để tối ưu hóa hệ thống xử lý. Các phép tính cốt lõi bao gồm xác định thể tích và khối lượng đất ô nhiễm qua tích phân hình thang, tính toán phân số khối lượng và mol của các thành phần xăng dầu, ước tính hằng số Henry từ độ tan và áp suất hơi, và áp dụng các tính chất vật lý của chất ô nhiễm. Thiết kế hệ thống xử lý yêu cầu các phép tính chính xác để đảm bảo hiệu quả xử lý và tuân thủ quy định môi trường.

1.1. Các phép tính cơ bản trong xử lý ô nhiễm

Phép tính thể tích đất ô nhiễm sử dụng phương pháp tích phân hình thang theo độ sâu, với công thức V = Σ(Ai × Δhi). Trong thực tế, các khoảng độ sâu không đồng đều, mỗi mẫu đại diện cho một khoảng riêng biệt. Ví dụ, mẫu ở độ sâu 25 feet đại diện cho khoảng 22,5 đến 30 feet. Để tính khối lượng, nhân thể tích với khối lượng riêng biểu kiến của đất, thường khoảng 112 lb/ft³ cho đất sét. Các phép tính này cung cấp dữ liệu đầu vào cho thiết kế hệ thống xử lý.

1.2. Tính chất vật lý của chất ô nhiễm BTEX

Các tính chất vật lý của chất ô nhiễm BTEX bao gồm độ tan trong nước, áp suất hơi và hằng số Henry đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán hành vi chất ô nhiễm. Benzen có hằng số Henry vô hướng 0,23 ở điều kiện thường, áp suất hơi 95,2 mmHg và độ tan 1780 mg/L ở 25°C. Dữ liệu này được sử dụng để tính toán thiết kế hệ thống khí hóa bay hơi và đánh giá khả năng phân tán của chất ô nhiễm trong môi trường.

II. Phân tích thách thức trong tính toán xử lý ô nhiễm đất và nước

Thách thức chính trong tính toán xử lý ô nhiễm đất và nước bao gồm hình dạng không đồng đều của mây ô nhiễm và sự biến động của dữ liệu đầu vào. Phương pháp hình thang được áp dụng để tích phân diện tích theo độ sâu, với mỗi mẫu đại diện cho một khoảng độ sâu riêng biệt. Tính chất vật lý của các chất ô nhiễm như BTEX bao gồm độ tan trong nước, áp suất hơi và hằng số Henry đóng vai trò quan trọng trong dự đoán hành vi chất ô nhiễm. Các phép tính phân số khối lượng và mol giúp xác định thành phần chính xác của hỗn hợp xăng dầu, cần thiết cho lựa chọn công nghệ xử lý. Phương pháp đo TPH bằng GC (EPA 8015) và IR (EPA 418.1) có độ chính xác khác nhau tùy thuộc loại hydrocarbon.

2.1. Tính toán thể tích và khối lượng đất ô nhiễm

Phương pháp tính toán thể tích đất ô nhiễm sử dụng tích phân hình thang, với mỗi mẫu đại diện cho một khoảng độ sâu riêng biệt. Công thức V = Σ(Ai × Δhi) cho phép tính chính xác thể tích mây ô nhiễm. Khối lượng đất ô nhiễm được tính bằng cách nhân thể tích với khối lượng riêng biểu kiến, thường khoảng 112 lb/ft³ cho đất sét. Ví dụ, đất ô nhiễm ở độ sâu 22,5-30 feet với diện tích 810 ft² cho thể tích 10.915 ft³.

2.2. Tính toán phân số khối lượng và mol xăng dầu

Xăng dầu là hỗn hợp chứa hơn 200 hợp chất khác nhau, với các thành phần nhẹ và dễ bay hơi hơn so với thành phần nặng. Phân số khối lượng và mol giúp xác định tỷ lệ từng thành phần trong hỗn hợp, cần thiết cho thiết kế hệ thống xử lý. Công thức tính phân số mol: n_i = m_i/MW_i, trong đó m_i là khối lượng thành phần i và MW_i là khối lượng phân tử. Dữ liệu tính chất vật lý từ bảng tham chiếu cung cấp thông tin cần thiết.

III. Giải pháp và phương pháp tính toán hiệu quả cho hệ thống xử lý

Hệ thống khí hóa bay hơi và hấp thụ than hoạt tính là hai công nghệ chính được thiết kế dựa trên các phép tính toán học chính xác. Hằng số Henry từ độ tan và áp suất hơi sử dụng công thức H = Pvap × MW/(S × R × T), với đơn vị atm/M. Bảng tính chất vật lý của các chất ô nhiễm phổ biến cung cấp dữ liệu đầu vào cho phép tính. Hằng số Henry vô hướng 0,23 cho benzen ở điều kiện thường được sử dụng làm tham chiếu để quy đổi hằng số Henry của hợp chất khác. Quy trình này sử dụng tỷ lệ hằng số Henry của hợp chất mục tiêu với benzen, sau đó nhân với 0,23. Thiết kế tháp khí hóa bay hơi dựa trên hằng số Henry để tách VOC, với chiều cao từ 10-30 feet và lưu lượng 50-500 GPM.

3.1. Thiết kế hệ thống khí hóa bay hơi

Hệ thống khí hóa bay hơi được thiết kế dựa trên hằng số Henry để tách các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Tháp khí với chiều cao từ 10-30 feet xử lý lưu lượng từ 50-500 GPM, sử dụng thời gian tiếp xúc 10-30 phút để loại bỏ VOC. Kích thước tháp được tính dựa trên hằng số Henry, tốc độ dòng chảy và nồng độ chất ô nhiễm đầu vào. Thiết kế bao gồm tính toán số tầng lý thuyết và chiều cao khối đệm.

3.2. Thiết kế hệ thống hấp thụ than hoạt tính

Hấp thụ than hoạt tính sử dụng thời gian tiếp xúc 10-30 phút để loại bỏ VOC còn lại sau khí hóa bay hơi. Kích thước than hoạt tính được tính dựa trên tốc độ dòng chảy, nồng độ chất ô nhiễm đầu vào và dung lượng hấp thụ của than. Công thức tính khối lượng than: m = Q × C × t/ q, trong đó Q là lưu lượng, C là nồng độ, t là thời gian và q là dung lượng hấp thụ. Thay thế than định kỳ đảm bảo hiệu quả xử lý liên tục.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của tính toán xử lý ô nhiễm

Các phép tính toán học đóng vai trò không thể thiếu trong thiết kế và vận hành hệ thống xử lý đất và nước ngầm bị ô nhiễm. Từ tính toán thể tích và khối lượng đất ô nhiễm đến thiết kế hệ thống khí hóa bay hơi và hấp thụ than hoạt tính, mỗi bước đều yêu cầu độ chính xác cao. Trong thực tế, nhiều dự án Superfund đã áp dụng thành công các phép tính này để đáp ứng tiêu chuẩn môi trường. Các công cụ GIS và mô hình 3D giúp lập bản đồ ô nhiễm và tối ưu hóa vị trí đặt thiết bị. Hiểu biết sâu sắc về tính chất vật lý của các chất ô nhiễm như BTEX và hằng số Henry giúp dự đoán hiệu quả xử lý và tối ưu hóa chi phí. Áp dụng các phương pháp tính toán này trong các dự án thực tế từ Superfund đến xử lý bể chứa ngầm bị rò rỉ đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn.

4.1. Ứng dụng trong dự án Superfund

Dự án Superfund áp dụng các phép tính toán học để đánh giá mức độ ô nhiễm và thiết kế hệ thống xử lý. Quy trình bao gồm tính toán thể tích đất ô nhiễm, xác định khối lượng chất ô nhiễm và lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp. Các phép tính cân bằng khối lượng giúp dự đoán thời gian xử lý và chi phí vận hành. Kết quả tính toán được sử dụng để lập báo cáo đánh giá rủi ro và đề xuất phương án cải tạo.

4.2. Xử lý bể chứa ngầm bị rò rỉ

Xử lý bể chứa ngầm bị rò rỉ sử dụng các phép tính toán học để xác định phạm vi ô nhiễm và thiết kế hệ thống thu hồi. Tính toán bao gồm ước tính lượng xăng dầu rò rỉ, dự đoán hướng di chuyển của mây ô nhiễm và thiết kế giếng thu hồi. Công thức tính lưu lượng thu hồi dựa trên độ thấm của đất và hiệu suất của hệ thống. Kết quả tính toán giúp tối ưu hóa số lượng và vị trí giếng thu hồi để đạt hiệu quả xử lý cao nhất.

21/04/2026

Trích đoạn nội dung tài liệu

Practical Design Calculations for Groundwater and Soil Remediation Jeff Kuo, Ph. Civil and Environmental Engineering Department California State University Fullerton ©1999 CRC Press LLC Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Kuo, Jeff. Practical design calculations for groundwater and soil remediation / Jeff Kuo. Includes bibliographical references and index. Soil remediation—Mathematics—Problems, exercises, etc. Groundwater—Purification—Mathematics—Problems, exercises, etc.1′68—dc21 98-28646 CIP This book contains information obtained from authentic and highly regarded sources. Reprinted material is quoted with permission, and sources are indicated. A wide variety of references are listed. Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and the publisher cannot assume responsibility for the validity of all materials or for the consequences of their use. Neither this book nor any part may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, microfilming, and recording, or by any information storage or retrieval system, without prior permission in writing from the publisher. The consent of CRC Press LLC does not extend to copying for general distribution, for promotion, for creating new works, or for resale. Specific permission must be obtained in writing from CRC Press LLC for such copying. Direct all inquiries to CRC Press LLC, 2000 Corporate Blvd., Boca Raton, Florida 33431. Trademark Notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks, and are used only for identification and explanation, without intent to infringe. © 1999 by CRC Press LLC Lewis Publishers is an imprint of CRC Press LLC No claim to original U. Government works International Standard Book Number 1-56670-238-0 Library of Congress Card Number 98-28646 Printed in the United States of America 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 Printed on acid-free paper ©1999 CRC Press LLC About the author Jeff (Jih-Fen) Kuo worked in environmental engineering industries for over 10 years before joining the Department of Civil and Environmental Engi- neering at California State University, Fullerton, in 1995. He gained his industrial experiences from working at Groundwater Technology, Inc. (now Flour-GTI), Dames and Moore, James M. Montgomery Consulting Engineers (now Montgomery–Watson), Nan-Ya Plastics, and the Los Angeles County Sanitation Districts. His industrial experiences in environmental engineering include design and installation of air strippers, activated carbon adsorbers, flare/catalytic incinerators, and biological systems for groundwater and soil remediation; site assessment and fate analysis of toxics in the environment; RI/FS work for landfills and Superfund sites; design of flanged joints to meet stringent fugitive emission requirements; air emissions from waste- water treatment; and wastewater treatment. Areas of research in environ- mental engineering include dechlorination of halogenated aromatics by ul- trasound, fines/bacteria migration through porous media, biodegradability of bitumen, surface properties of composite mineral oxides, kinetics of acti- vated carbon adsorption, wastewater filtration, THM formation potential of ion exchange resins, and UV disinfection. degree in chemical engineering from National Taiwan University, an M. degree in chemical engineering from the University of Wyoming, an M. in petroleum engineering, and an M. in Environmental Engineering from the University of Southern California. He is a professional civil, mechanical, and chemical engineer registered in California. ©1999 CRC Press LLC to my wife Kathy, daughters Emily and Whitney, and my mom ©1999 CRC Press LLC Contents Chapter I Introduction I.1 Background and Objectives I.3 How to Use this Book Chapter II Site Characterization and Remedial Investigation II.1 Determination of the Extent of Contamination II.1 Mass and Concentration Relationship II.2 Amount of Soil from Tank Removal or Excavation of Contaminated Area II.3 Amount of Contaminated Soil in the Vadose Zone II.4 Mass Fractiona and Mole Fraction of Components in Gasoline II.5 Height of the Capillary Fringe II.6 Estimating the Mass and Volume of the Free-Floating Product II.7 Determination of the Extent of Contamination — A Comprehensive Example Calculation II.2 Soil Borings and Groundwater Monitoring Wells II.1 Amount of Cuttings from Soil Boring II.2 Amount of Packing Materials and/or Bentonite Seal29 II.3 Well Volume for Groundwater Sampling II.3 Mass of Contaminants Present in Different Phases II.1 Equilibrium Between Free Product and Vapor II.2 Liquid–Vapor Equilibrium II.3 Solid–Liquid Equilibrium II.4 Solid–Liquid–Vapor Equilibrium II.5 Partition of Contaminants in Different Phases Chapter III Plume Migration in Groundwater and Soil III.1 Groundwater Movement III.1 Darcy’s Law ©1999 CRC Press LLC III.2 Darcy’s Velocity vs. Seepage Velocity III.3 Intrinsic Permeability vs. Hydraulic Conductivity III.4 Transmissivity, Specific Yield, and Storativity III.5 Determine Groundwater Flow Gradient and Flow Direction III.2 Groundwater Pumping III.1 Steady-State Flow in a Confined Aquifer III.2 Steady-State Flow in an Unconfined Aquifer III.3 Aquifer Test III.1 Theis Method III.2 Cooper–Jacob Straight-Line Method III.3 Distance–Drawdown Method III.4 Migration Velocity of the Dissolved Plume III.1 The Advection–Dispersion Equation III.2 Diffusivity and Dispersion Coefficient III.3 Retardation Factor for Migration in Groundwater III.4 Migration of the Dissolved Plume III.5 Contaminant Transport in the Vadose Zone III.1 Liquid Movement in the Vadose Zone III.2 Gaseous Diffusion in the Vadose Zone III.3 Retardation Factor for Vapor Migration in the Vadose Zone Chapter IV Mass Balance Concept and Reactor Design IV.1 Mass Balance Concept IV.2 Chemical Kinetics IV.1 Rate Equations IV.2 Half-Life IV.3 Types of Reactors IV.1 Batch Reactors IV.4 Sizing the Reactors IV.5 Reactor Configurations IV.1 Reactors in Series IV.2 Reactors in Parallel Chapter V Vadose Zone Soil Remediation V.1 Soil Vapor Extraction V.2 Expected Vapor Concentration V.3 Radius of Influence and Pressure Profile V.4 Vapor Flow Rates V.5 Contaminant Removal Rate ©1999 CRC Press LLC V.7 Effect of Temperature on Soil Venting V.8 Number of Vapor Extraction Wells V.9 Sizing of Vacuum Pump (Blower) V.1 Description of the Soil Bioremediation Process V.3 Soil Washing/Solvent Extraction/Soil Flushing V.1 Description of the Soil Washing Process V.4 Low-Temperature Heating (Desorption) V.1 Description of the Low-Temperature Heating (Desorption) Process V.2 Design of the Low-Temperature Heating (Desorption) Process Chapter VI Groundwater Remediation VI.1 Hydraulic Control (Groundwater Extraction) VI.1 Cone of Depression VI.2 Capture Zone Analysis VI.2 Above-Ground Groundwater Treatment Systems VI.1 Activated Carbon Adsorption VI.2 Air Stripping VI.3 Advanced Oxidation Process VI.4 Metal Removal by Precipitation VI.5 Biological Treatment VI.3 In Situ Groundwater Remediation VI.1 In Situ Bioremediation VI.2 Air Sparging Chapter VII VOC-Laden Air Treatment VII.1 Activated Carbon Adsorption VII.1 Adsorption Isotherm and Adsorption Capacity VII.2 Cross-Sectional Area and Height of GAC Adsorbers VII.3 Contaminant Removal Rate by the Activated Carbon Adsorber VII.4 Change-Out (or Regeneration) Frequency VII.5 Amount of Carbon Required (On-Site Regeneration) VII.2 Thermal Oxidation VII.1 Air Flow Rate vs.2 Heating Values of an Air Stream VII.3 Dilution Air ©1999 CRC Press LLC VII.4 Auxiliary Air to Supply Oxygen VII.5 Supplementary Fuel Requirements VII.6 Volume of Combustion Chamber VII.3 Catalytic Incineration VII.1 Dilution Air VII.2 Supplementary Heat Requirements VII.3 Volume of the Catalyst Bed VII.4 Internal Combustion Engines VII.1 Sizing Criteria/Application Rates VII.5 Soil Beds/Biofilters VII.1 Design Criteria ©1999 CRC Press LLC Preface The focus of the hazardous waste management business has switched in recent years from litigation and site assessment to remediation. Site restora- tion usually proceeds through several phases and requires a concerted, mul- tidisciplinary effort. Thus, remediation specialists have a variety of back- grounds, including geology, hydrology, chemistry, microbiology, meteorology, toxicology, and epidemiology as well as chemical, mechanical, electrical, civil, and environmental engineering. Because of differences in the formal education of these professionals, their ability to perform or review remediation design calculations varies considerably. For some, performing accurate design calculations can become a seemingly insurmountable task. Most, if not all, of the books dealing with site remediation provide only descriptive information on treatment technologies, and none, in my opinion, provide helpful guidance on illustrations of design calculations. This book was written to address the current needs of practicing engineers, scientists, and legal experts who are employed by industry, consulting companies, law firms, and regulatory agencies as well as university seniors and graduate students in the field of soil and groundwater remediation. It provides prac- tical and relevant working information, derived from the literature and from my own hands-on experiences in consulting and teaching in this field. I sincerely hope that this book becomes a useful tool for the professionals and students working in site remediation. Your comments and suggestions are always welcome, and my e-mail address is jkuo@fullerton. Finally, I would like to take this opportunity to thank Tom Hashman and Ziad El Jack of the Sanitation Districts of Los Angeles County for re- viewing the manuscript and providing valuable comments. ©1999 CRC Press LLC Kuo, Jeff "Introduction" Practical Design Calculations for Groundwater and Soil Remediation Boca Raton: CRC Press LLC,1999 chapter one Introduction I.1 Background and objectives The hazardous waste management business has steadily increased since the early 1980s as public concern led to a vast range of new environmental regulations. During much of this period, a substantial amount of time and expense has been devoted to studying contaminated sites, with much of the expense dedicated to litigation to determine the financially responsible par- ties. However, the focus has switched in recent years from litigation and site assessment to remediation. Site restoration usually proceeds through several phases and requires a concerted, multidisciplinary effort. Thus, remediation specialists have a variety of backgrounds, including geology, hydrology, chemistry, microbiology, meteorology, toxicology, and epidemiology as well as chemical, mechanical, electrical, civil, and environmental engineering. Because of differences in the formal education of these professionals, their ability to perform or review remediation design calculations varies consid- erably. For some, performing accurate design calculations can become a seemingly insurmountable task. The absence of uniformly trained specialists is exacerbated by the con- tinuously evolving remediation technology. For instance, remediation tech- nologies such as soil venting and bioremediation are now generally accept- able to environmental professionals, while just a few years ago they were the subject mainly of research articles. While up-to-date design information is sporadically published in the literature, it is usually theoretical in nature and illustrative applications are rarely given. Most, if not all, of the books dealing with hazardous waste management and site remediation provide only descriptive information on treatment technologies, and none, in this author’s opinion, provide helpful guidance on illustrations of design calculations. Without the proper education, environmental professionals can exert themselves, needlessly reinventing the wheel, so to speak, and err in their ©1999 CRC Press LLC design calculations. This book was written to address the current needs of practicing engineers, scientists, and legal experts who are employed by industry, consulting companies, law firms, and regulatory agencies in the field of soil and groundwater remediation. It covers important aspects of the major design calculations used in this field and also provides practical and relevant working information derived from the literature and the author’s own experience. Realistic examples are used liberally to illustrate the appli- cation of the design calculations. This book can also serve as a supplementary textbook or reference book for university seniors and graduate students who would like to have an overview of remediation design calculations.2 Organization The book is divided into the following chapters: Chapter two: Site Assessment and Remedial Investigation. This chapter illustrates engineering calculations needed during site assessment and remedial investigation. It begins with simple calculations for estimating the amount of contaminated soil excavated and that left in the vadose zone and size of the contaminated plume in the aquifer. This chapter also describes necessary calculations to determine par- titioning of contaminant mass in the different phases, which is critical for remediation design. Chapter three: Groundwater Movement and Plume Migration. This chapter illustrates how to estimate the rates of groundwater move- ment and plume migration. The reader will also learn how to interpret the aquifer test data and estimate the age of a groundwater plume. Chapter four: Mass Balance Concept and Reactor Design. This chapter first introduces the mass balance concept, followed by reaction kinet- ics, as well as types, configuration, and sizing of reactors. The reader will learn how to determine the rate constant, removal efficiency, optimal arrangement of reactors, required residence time, and reactor size for one’s specific applications. Chapter five: Vadose Zone Soil Remediation.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ